CC BY
49
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621.833
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ НОЖЕЙ РЕЖУЩЕГО БАРАБАНА КОРМОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА НА ИХ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ
П. Н. БОГДАНОВИЧ
Учреждение образования «Белорусский государственный университет транспорта», г. Гомель
М. И. МИХАЙЛОВ, К. М. МИХАЙЛОВ
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого», Республика Беларусь
Введение
На современном этапе развития сельскохозяйственного машиностроения стоит задача разработки и выпуска машин, позволяющих обеспечить максимальное сбережение сырьевых, топливных и энергетических ресурсов на всех этапах производства, переработки и использования сельскохозяйственной продукции [1].
В условиях современного производства растет производительность, экономичность и надежность сельскохозяйственной техники, снижается их масса на единицу мощности, повышается точность изготовления изделий. Современные машиностроительные предприятия выпускают изделия с высокими эксплуатационными качествами при минимальных затратах общественного труда. Большое влияние на безотказность машины оказывают условия ее работы, а именно: воздействующие на машину и элементы механические, климатические нагрузки и т. д. При проектировании машины необходимо максимально уменьшить влияние внешних и внутренних нагрузок на ее элементы [2]—[10].
Процесс измельчения растительной массы проходит при высоких окружных скоростях и является самым энергоемким во всем технологическом процессе работы комбайна. Наиболее нагруженными, подверженными интенсивному изнашиванию являются ножи измельчающего барабана. Качество измельченной массы может характеризоваться длиной резки и степенью измельчения, т. е. объемной величиной частиц [1].
Масса, перемещаемая питающими вальцами, движется на противорежущую пластину со скоростью:
Уя =цкОп/ 60,
где ^ - коэффициент пробуксовывания стебля = 0,85-0,9); Вп - диаметр одного из питательных вальцов, м.
Длина частиц определяется по выражению
1расч = V 601(П1),
где п - частота вращения барабана; 2 - число ножей.
Загрязненность и засоренность убранной массы почвой, остатками органических и минеральных удобрений или гербицидов, а также частицами раздробленных инородных предметов являются условиями работы измельчающего аппарата.
При резании толстого слоя усилие затрачивается не только на разрушение материала слоя, но и на преодоление трения между фасками лезвия и материалом. При этом сила возникающего трения между фасками и материалом пропорциональна площади контакта этих фасок с материалом. С увеличением угла скольжения т площадь контакта Г увеличивается:
008 Т
где Г0 - площадь контакта при т = 0.
Согласно исследований Н. Е. Резника и других ученых чем тоньше слой, тем меньше удельная работа, необходимая для его перерезания, и, следовательно, рациональнее резание [11], [12].
В рамках мероприятий по импортозамещению и внедрению в производство новых материалов создан высокопрочный чугун с шаровидным графитом марки ВЧТГ (патент РБ № 15617) с особым химическим составом [13]—[15]. В табл. 1 приведен химический состав высокопрочного чугуна. Основные служебные свойства данного материала, регулируемые термообработкой, находятся в следующих пределах: относительное удлинение при разрыве ~ 1,5—3,5 %; предел прочности при растяжении ~ 900—1400 МПа; твердость до 55 ИЯС. Главной особенностью чугуна марки ВЧТГ является то, что его характеристики сопротивления усталости практически достигают таковых для высокопрочной легированной стали. Поэтому в качестве материала для ножей измельчающего барабана используют высокопрочный чугун ВЧТГ, который по основным прочностным характеристикам практически не уступает стали.
Таблица 1
Химический состав высокопрочного чугуна
С 81 Мп N1 8 Р Сг Си
3,2—3,6 3—3,8 0,4—0,7 до 0,8 до 0,01 до 0,1 до 0,15 до 0,6
Кроме того, для изготовления ножей используется сталь 51СгУ4 (производства Германии) и сталь 65Г. Химический состав стали 65Г приведен в табл. 2. Механические свойства стали 65Г представлены в табл. 3.
Таблица 2
Химический состав стали 65Г
С 81 Мп N1 8 Р Сг Си
0,63—0,67 0,17—0,37 0,9—1,2 до 0,25 до 0,035 до 0,035 до 0,25 до 0,2
Таблица 3
Механические свойства стали 65Г
ов, МПа от, МПа 65, % % КСи, кДж/м2
980 785 8 30 76
В условиях СКБ ПО «Гомсельмаш» проведены натурные краш-тесты на дубовых и сосновых досках со стальными стержнями 020 мм и твердостью 40 HRC. При работе чугунных ножей происходило их локальное разрушение. В полевых условиях стойкость ножей составляла 30000 т, что на 10-20 % ниже, чем стальных ножей. Нестабильность условий испытания не позволяет установить относительную износостойкость материалов ножей.
Целью работы является проведение сравнительных исследований материалов ножей режущего барабана и установление влияния физико-механических свойств материалов ножей режущего барабана кормоуборочного комбайна на их износостойкость.
Методика проведения исследований
Исследования образцов на абразивное изнашивание проводились на торцевой машине трения (рис. 1).
В качестве контртела использовалась сталь с водной взвесью (NaCl и KCl (3 мас. %) и SiO2 (5-10 мас. %)). Данное содержание моделировало реальные условия работы ножей (калийная соль - удобрение, песок - естественная среда). Принцип испытания заключался в том, что образец 2, закрепленный в держателе 6, опускался на поддон 4, в котором находилась водная взвесь калийной соли и песка. Поддон приводился во вращение от электродвигателя в корпусе 5. Износ происходил путем попадания абразива между поддоном и образцом, а также по причине протекания коррозионных процессов. На край кронштейна 3 навешивался груз 7 из набора разновесов, что позволяло проводить испытания при различных нагрузках. Держатель 6 имел возможность перемещаться вдоль кронштейна 3, что позволяло менять радиус от центра диска до образца и проводить испытания с изменением скорости.
Рис. 1. Схема установки трения: 1 - рабочая жидкость; 2 - образец; 3 - кронштейн; 4 - поддон; 5 - корпус машины; 6 - держатель; 7 - груз
В качестве критерия определения триботехнических свойств была выбрана массовая интенсивность изнашивания. Образцы взвешивались до и после проведения испытаний, и по потере массы можно было определить наиболее износостойкий образец при данных условиях проведения эксперимента. Поддон устанавливается и закрепляется на вращающемся столе, в него наливается водная взвесь калийной соли и песка. При вращении центробежными силами твердые частицы абразива выносило к краям поддона, поэтому для равномерности концентрации абразивных частиц на кронштейне дополнительно закреплялась кисточка, которая непрерывно перемешивала рабочую среду.
В ходе предварительного подбора режимов для проведения экспериментов были выбраны следующие основные параметры: грузы весом 0,5; 1; 1,5 кг, скорости истирания 0,28-0,57 м/с, время проведения одного испытания - 15 мин. Через 15 мин определялась потеря массы:
Аш = - т2,
где ш1 и ш2 - соответственно, массы образцов до и после испытания, кг. Затем производился расчет массовой интенсивности изнашивания:
1т =АШ / ,
где р - плотность материала образца, кг/м3; S - площадь поверхности трения, м2.
Испытания повторялись четыре раза для каждого образца из всех материалов, что повышало достоверность получаемых результатов.
Результаты исследований
Для определения материала, обладающего наивысшими триботехническими показателями, проводились серии испытаний при экспериментально выбранных параметрах трения - давлении Р = 9,1 кПа, Р = 18,2 кПа, скорости истирания V = 0,28 м/с, V = 0,57 м/с. Исходя из условий эксплуатации были определены три основных режима проведения испытаний: режим № 1 - Р = 9,1 кПа, V = 0,57 м/с, режим № 2 -Р = 18,2 кПа, V = 0,57 м/с, режим № 3 - Р = 18,2 кПа, V = 0,28 м/с. На рис. 2 представлена зависимость интенсивности изнашивания образцов при режиме № 1.
Время испытаний, мин
Рис. 2. Графики влияния времени испытания на интенсивность изнашивания при Р = 9,1 кПа, V = 0,57 м/с: 1 - сталь 65Г; 2 - сталь 51СгУ4; 3 - чугун ВЧТГ
Как видно на рис. 2, наибольшую интенсивность изнашивания на режиме № 1 (Р = 9,1 кПа, V = 0,57 м/с) проявляет сталь 65Г, так как она имеет наименьшую твердость (92 НВ ~ 11 НЯС) по сравнению с образцами из чугуна ВЧТГ и стали 51СгУ4, интенсивность изнашивания которых отличается незначительно при твердостях, соответственно, 30 НЯС и 42 НЯС, что объясняется высоким сопротивлением чугуна ВЧТГ и стали 51СгУ4 внедрению абразивных частиц в объем материала. По образцам из чугуна ВЧТГ и стали 51СгУ4 установлено, что в начале интенсивность изнашивания увеличивается, что связано с увеличением фактической площади контакта (процесс приработки). Дальнейшее снижение интенсивности изнашивания связано с уменьшением
размеров абразива. Рост интенсивности изнашивания стали 65Г связан с ее невысокой твердостью и увеличением фактической площади контакта. На рис. 3 представлена интенсивность изнашивания неупрочненных образцов на режиме № 2.
Время испытаний, мин
Рис. 3. Графики влияния времени испытания на интенсивность изнашивания при Р = 18,2 кПа, V = 0,57 м/с: 1 - сталь 65Г; 2 - сталь 51СгУ4; 3 - чугун ВЧТГ
Как видно на рис. 3, наименьшая интенсивность изнашивания на режиме № 2 (Р = 18,2 кПа, V = 0,57 м/с) наблюдается у чугуна ВЧТГ, так как он обладает высокой твердостью и проявляет хорошие антифрикционные свойства. Рост интенсивности изнашивания связан с ростом фактической площади трения, а уменьшение интенсивности изнашивания - с уменьшением размера абразивных частиц и наименьшим коэффициентом трения образца по поддону. Высокая интенсивность изнашивания в начальный момент времени у образца из стали 51СгУ4 связана с его высокой шероховатостью. Снижение интенсивности изнашивания в интервале времени от 20 до 30 мин связано с уменьшением неровностей и давления на их выступах. Рост интенсивности изнашивания в интервале времени от 30 до 45 мин связан с увеличением фактической площади трения. Постоянный и наиболее высокий рост интенсивности изнашивания у стали 65Г связан с ее невысокой твердостью и увеличением фактической площади трения.
На рис. 4 представлена интенсивность изнашивания образцов стали 65Г при Р = 18,2 кПа, V = 0,28 м/с (режим № 3).
Время испытаний, мин
Рис. 4. Графики влияния времени испытания на интенсивность изнашивания при Р = 18,2 кПа, V = 0,28 м/с: 1 - сталь 65Г; 2 - сталь 51СгУ4; 3 - чугун ВЧТГ
Как видно на рис. 4, наиболее высокую интенсивность изнашивания проявляет сталь 65Г. Рост интенсивности изнашивания связан с увеличением фактической площади трения, а снижение - с уменьшением размера абразивных частиц. Аналогичным образом объясняется изменение интенсивности изнашивания стали 51СгУ4. Снижение интенсивности изнашивания чугуна ВЧТГ связано с уменьшением размера абразивных частиц и небольшим коэффициентом трения относительно стальных материалов.
Исходя из проведенных испытаний, можно сделать вывод, что наиболее высокую интенсивность изнашивания среди исследованных материалов проявляет сталь 65Г, что связано с ее невысокой твердостью (90-92 НКБ). Сталь 51СгУ4 и чугун ВЧТГ имеют приблизительно равную интенсивность изнашивания, что связано с более высокой твердостью (42 НЯС и 30 НЯС, соответственно) и, следовательно, более высоким сопротивлением абразивного изнашивания. Более низкие значения у чугуна, чем у стали 51СгУ4, на режимах испытания Р = 18,2 кПа, V = 0,57 м/с и Р = 18,2 кПа, V = 0,28 м/с, соответственно, объясняются более высокими триботехническими свойствами чугуна. Из этого можно сделать вывод, что ножи, изготовленные из высокопрочного чугуна ВЧТГ и стали 51СгУ4, будут обладать большей долговечностью, чем ножи из стали 65Г.
На рис. 5 представлена зависимость, отражающая влияние скорости скольжения на интенсивность изнашивания образцов.
1.2Е-С7 1,16-07
I
* 1.0Е-07
X х
3 Ч,0Е-08 1
I 8.0Е-08 £
| 7,06-08
Я х
5 6,0Е-0В
Е х
5.0Е-08 4,0Е-08
0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,55 Скорость истирания, м/с
Рис. 5. Графики влияния скорости испытания на интенсивность изнашивания: 1 - сталь 65Г; 2 - сталь 51СгУ4; 3 - чугун ВЧТГ
Как видно на рис. 5, наибольшая интенсивность изнашивания наблюдается у образцов из стали 65Г. С увеличением скорости скольжения интенсивность изнашивания увеличивалась в связи с ростом пути трения. Значения интенсивности изнашивания у образцов из стали 51СгУ4 ниже, так как у данной стали выше твердость, а интенсивность изнашивания образцов из чугуна ВЧТГ ниже, чем у стальных, что объясняется высокими антифрикционными свойствами материала.
Проведенные эксперименты позволяют заключить, что ножи, изготовленные из высокопрочного чугуна ВЧТГ и стали 51СгУ4, будут обладать большей долговечностью, чем ножи из стали 65Г.
Литература
1. Измельчающие аппараты современных кормоуборочных комбайнов / М. И. Белов [и др.] // Тракторы и с.-х. машины. - 2012. - № 3. - С. 43-50.
2. Основные требования к износостойкости режущих элементов кормоуборочных комбайнов / А. А. Дюжев [и др.] // Сельскохозяйственные машины для уборки зерновых культур, кормов и корнеклубнеплодов. Состояние, тенденции и направления развития : сб. докл. междунар. науч.-практ. конф., Гомель, 22-23 марта 2004. - Гомель, 2004. - С. 57-64.
3. Кравченко, И. Н. Основы надежности машин : учеб. пособие для вузов / И. Н. Кравченко, Е. А. Пучин. - М. : Машиностроение, 2007. - Ч. 1. - 224 с.
4. Прейсман, В. И. Основы надежности сельскохозяйственной техники : учеб. пособие / В. И. Прейсман. - Днепропетровск, 1972. - 230 с.
5. Власов, П. А. Надежность сельскохозяйственной техники / П. А. Власов. - Пенза : РИО ПГСХА, 2001. - 124 с.
6. Босой, Е. С. Теория, конструкция и расчет сельскохозяйственных машин / Е. С. Босой, О. В. Верняев. - М. : Машиностроение, 1978. - 457 с.
7. Лезин, П. П. Основы надежности сельскохозяйственной техники / П. П. Лезин. -Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 1997. - 223 с.
8. Аллилуев, В. А. Техническая диагностика тракторов и сложных сельскохозяйственных машин на индустриальной основе : автореф. дис. ... д-ра техн. наук / В. А. Аллилуев. - Л., 1984. - 33 с.
9. ГОСТ 27.002-83. Надежность в технике. Термины и определения. - М. : Изд-во стандартов, 1983. - 30 с.
10. Надежность и эффективность в технике : справочник : в 10 т. / под ред. В. И. Кузнецова, Е. Ю. Барзиловича. - Т. 8 : Эксплуатация и ремонт. - М. : Машиностроение, 1990. - 320 с.
11. Резник, Н. Е. Теория резания лезвием и основы расчета режущих аппаратов / Н. Е. Резник. - М. : Машиностроение, 1975. - 311 с.
12. Турбин, Б. Г. Сельскохозяйственные машины. Теория и технологический расчет / Б. Г. Турбин, А. Б. Лурьев, С. М. Григорьев. - М. : Машиностроение, 1967. - 357 с.
13. Микрюков, В. М. Применение бейнитного высокопрочного чугуна / В. М. Мик-рюков, О. А. Сазонов // Чугуны с шаровидным и вермикулярным графитом и ау-стенитно-бейнитной матрицей. Современные материалы для литых деталей : ин-форм. сб. техн. материалов / под ред. Н. Н. Александрова [и др.]. - М. : Металлургия, 2004. - С. 260-262.
14. Шебатинов, М. П. Высокопрочный чугун в машиностроении / М. П. Шебатинов. -М. : Машиностроение, 1988. - 216 с.
15. Псырков, Н. В. Опыт внедрения специального чугуна марки ВЧТГ для изготовления ножей режущих барабанов кормоуборочной техники / Н. В. Псырков, А. А. Капитонов, В. О. Замятин // Актуальные вопросы машиноведения : сб. науч. тр. / Объ-ед. ин-т машиностроения НАН Беларуси ; редкол.: А. А. Дюжев [и др.]. - 2013. -Вып. 2. - С. 388-390.
16. Адлер, Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. - М. : Наука, 1976. - 280 с.
Получено 15.04.2015 г.
